Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Спеціальність 05.09.13 - Техніка сильних електричних та магнітних полів

УДК 621.315.616.623-24

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНА МІЦНІСТЬ ПОЛІМЕРНИХ ІЗОЛЯТОРІВ ВИСОКОЇ НАПРУГИ.

ОПТИМІЗАЦІЯ КОНСТРУКЦІЇ ТА СИЛОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Рацлав Володимир Вікторович

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Науково-дослідному інституті високих напруг Міністерства палива та енергетики України, м. Слов'янськ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Шумілов Юрій Миколайович, Науково-дослідний інститут високих напруг, м.Слов'янськ, заступник директора з наукової роботи

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор

Нечволод Микола Кузьмич, Слов'янський державний педагогічний інститут, ректор інституту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Рудаков Валерій Васильович, Науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут “Молнія” Національного технічного університету “Харьківський політехнічний інститут”, м. Харьків, завідувач відділу кандидат технічних наук, доцент

Кириленко Всеволод Михайлович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, доцент кафедри електричних станцій

Провідна установа: Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “13” червня 2002 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий 12.05.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У наш час до лінійних та підстанційних ізоляторів висуваються нові вимоги: можливість створити на їх основі сучасні проекти компактних підстанцій (КП) і підстанційного обладнання та повітряних ліній (ПЛ) електропередач високої напруги. Однак недостатньо високі електромеханічні характеристики електротехнічного фарфору та крихкість скла не дозволяють вирішити цю проблему. Використання високоміцних композиційних матеріалів із склопластиків (СП) і силіконових еластомерів, які мають особливі властивості, дозволять створити опорно-стрижневі ізолятори для електрообладнання підстанцій і консольні траверси компактних ПЛ електропередач із зазначеними вимогами до економічних показників. Таким чином, розробка ізоляторів під-станційного обладнання та ізолюючих траверс компактних ПЛ буде високоефективною і актуальною темою. Однак для її розробки потрібно виконання широкого кола наукових досліджень, важливішими з яких є:

- визначення електромеханічної міцності, деформативних властивостей і повзучості діелектричних елементів конструкцій при різних видах механічного навантаження;

- вибір допустимих механічних напружень у неоднорідних композиційних склопластикових матеріалах, що виключають її електричне й механічне старіння;

- оптимізація геометричних параметрів ізоляційних елементів нових конструкцій в умовах комплексної взаємодії експлуатаційних навантажень: електричного поля, забруднення, тяжіння проводів, ожеледних навантажень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась згідно з планом важливих НДТП Міненергетики України, фінансованих з інноваційного фонду у 1995 - 1997 роках за проблемами 08 ВН “Підвищення надійності та стійкості електричних мереж і енергосистем”, тема 58.08.025 “Дослідження та розробка нових матеріалів, полімерних ізоляційних конструкцій, дослідження експлуатаційної надійності полімерних ізоляторів в енергомережах України”, а також згідно з програмою Міннауки України 1997 - 1998 року, розділ 05.05 “Композиційні матеріали”. Номери державної реєстрації НДР, базових для підготовки дисертаційної роботи: 0197.0017640; 0196.0014134; UA 01001189 Р.

У спільній роботі з НДІВН м. Слов'янська над проблемою 08 ВН автор розробив та виготовив прилад контролю склопластику; по НДР 01970017640 - обґрунтував методики визначення початку стадій структурних порушень та зміни електричної міцності при різних видах механічного навантаження ВСП, а також запропонував розрахункову схему заміщення склопластику з дефектами та виконав дослідження електромеханічної міцності СП.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є визначення електромеханічної міцності СП елементів, оптимізація геометричних параметрів ребристих елементів захисної оболонки полімерних ізоляторів та обладнання для компактних підстанцій і ПЛ електропередач; розробка рекомендацій щодо вибору конструктивних параметрів і розрахунку ізолюючої частини опорно-стрижневих ізоляторів та полімерних траверс, які являються полімерними конструкціями нового покоління.

Основними завданнями, які випливають із сформульованої мети, є:

1. Статистичні дослідження пористості, електричної міцності (Eміцн.) й теоретичного закону розподілу цих величин профільного склопластику у вихідному стані (без навантаження).

2. Дослідження змін характеристик електричної міцності профільного склопластика при різних видах механічного навантаження.

3. Визначення рівня механічних напружень на основі даних зі зміни електричної міцності, які відповідають початковим стадіям структурних порушень у склопластику.

4. Дослідження деформативних властивостей і повзучості профільних склопластиків при поперечному згині полімерних конструкцій.

5. Розробка методики і вибір параметрів несучої частини високовольтних конструкцій в умовах комплексного впливу експлуатаційних навантажень.

6. Оптимізація форми ребристих елементів захисної оболонки за критерієм мінімуму сумарних витрат із забезпеченням максимально можливих вологорозрядних характеристик.

Об'єкт дослідження - полімерні ізолятори для підстанційного обладнання і компактних ПЛ високої напруги.

Предмет дослідження - стрижневий склопластик та силіконова захисна оболонка, які обумовлюють електромеханічну міцність полімерних конструкцій.

Методи дослідження. Електрична міцність, механічні та деформативні характеристики СП досліджувалися на високовольтному обладнанні і дослідних машинах Державного дослідного центру НДІВН м. Слов'янська і лабораторії опору матеріалів Слов'янського педінституту. Статистична обробка результатів пористості й електричної міцності (Ем) СП реалізувалась з використанням теорії розподілення функцій випадкових аргументів. Повздовжньо-поперечний згин конструкцій досліджувався за теорією Ейлера. Розрахунок параметрів захисної оболонки реалізувався за допомогою розроблених програм, а вибір оптимальних параметрів - на основі аналізу отриманих багатомірних розрахункових графіків.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі:

1. На основі фізичних уявлень про пробій газових пор і статистичне розподілення їх розмірів визначено теоретичний закон розподілу Eміцн. профільного склопластику. Знайдене розподілення використано в методиці, розробленій для виявлення початкових стадій дефектоутворень при механічних впливах на склопластик.

2. Отримано нові дані про властивості високовольтного склопластика при впливі різноманітних експлуатаційних навантажень:

- електричної міцності й початкових стадій дефектоутворень після дії різних механічних навантажень: стискання, кручення, розтягування і згину;

- деформативних властивостей і повзучості при тривалому впливі згинаючих навантажень.

3. Отримано математичні вираження для розрахунку експлуатаційних характеристик полімерних траверс для компактних ліній електропередач високої напруги.

4. Розроблено геометричну модель ребристих елементів полімерних оболонок і методику, що дозволяє обчислювати геометричні, масогабаритні й розрядні характеристики полімерних конструкцій.

Практичне значення одержаних результатів. На основі узагальнення результатів дослідження розроблено практичні рекомендації щодо конструювання ізолюючої частини полімерних опорно-стрижневих ізоляторів та консольних траверс для підстанцій і ПЛ компактного виконання.

Доведено доцільність використання суцільних СП стрижнів замість порожнистих труб у конструкціях опорно-стрижневих ізоляторів і траверс.

Отримано методики визначення електромеханічної міцності полімерних конструкцій:

- методика виявлення початкових стадій дефектоутворення при механічному навантаженні профільного склопластику;

- експрес-методика визначення стійкості склопластикових стрижнів до тривалого впливу згинаючих навантажень.

Розроблено методики розрахунку полімерних конструкцій:

- методика розрахунку геометричних параметрів полімерної оболонки;

- методика визначення експлуатаційних характеристик ізоляційних траверс для компактних ліній електропередач.

Сформульовано рекомендації щодо вибору припустимих напруг у несучих елементах нових конструкцій, а також щодо використання оптимальних співвідношень між основними розмірами ребер полімерної захисної оболонки (діаметр, юбки, співвідношення довжини шляху витоку до висоти, міжреберні відстані, висота ребер).

Результати, отримані під час виконання дисертаційної роботи, знаходяться в НДІВН м. Слов'янська й використовуються для розробки нових та модернізації існуючих типів полімерних ізоляторів, у тому числі ізоляторів опорно-стрижневої групи й полімерних траверс, що розробляються за замовленням енергосистем України.

Результати виконаної роботи знайшли практичне застосування в лабораторних роботах з курсу “Основи технологій композиційних матеріалів” кафедри інженерних дисциплін Слов'янського державного педагогічного інституту й використовуються для підготовки студентів технологічного факультету.

Особистий внесок здобувача. У роботах, що виконано в співавторстві [1], здобувачем запропоновано прилад контролю склопластику. У роботах [2], [3] запропоновані методики виявлення початку структурних порушень і межі повзучості СП. У роботах [4], [5] здобувачем подано розрахункову схему заміщення СП з дефектами та виконано дослідження електромеханічної міцності СП.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях:

- міжнародному семінарі: “Сучасні матеріали й засоби неруйнівного контролю та технічної діагностики” (м. Ялта, 2000 р.);

- семінари на тему: “Скло: нові технології й енергозбереження” (Український державний інститут скла, м. Костянтинівка, 2000 р.);

- НТС НДІВН (м. Слов'янськ, 1997, 1999, 2000 рр.);

- семінарах кафедри промислових технологій Слов'янського педінституту (м. Слов'янськ, 1995, 1996, 1998, 1999, 2000, 2001 рр.);

- НТС інституту Електродинаміки НАНУ (м. Київ, 2001 р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 6 робіт: 3 статті у наукових журналах, 2 статті у збірниках наукових праць, тези доповідей на науково-технічній конференції.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, чотирьох додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 244 сторінки, у тому числі 22 ілюстрації по тексту, 39 ілюстрацій на 39 сторінках; 22 таблиці по тексту, 22 таблиці на 22 сторінках, 4 додатки на 41 сторінці, 117 найменувань використаних літературних джерел на 11 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, у стислій формі подано відомості про отримані результати дослідження, їх наукову новизну й практичне значення. Приведено дані щодо апробації результатів роботи. Визначені методи дослідження.

У першому розділі проведено огляд та аналіз існуючих розробок із застосування полімерних ізоляторів за кордоном і в Україні: подана загальна характеристика полімерних ізоляторів, наведено огляд технічних вирішень та еволюції використання полімерних конструкцій на ВЛ і у складі електрообладнання підстанцій. Розглянуто перспективні напрямки в галузі створення нових полімерних конструкцій: опорних і опорно-стрижневих ізоляторів, полімерних траверс для компактних підстанцій та ліній електропередач і т.д. Виявлено проблемні питання створення нових конструкцій.

У другому розділі проведено статистичне дослідження пористості й електричної міцності (Еміцн.) профільного склопластику - основи несучої частини полімерних конструкцій.

На базі виконаних досліджень розроблена методика виявлення початкових стадій дефектоутворення у склопластикових стрижнях при їх механічному навантаженні. Методика заснована на вимірюванні електричної міцності зразків склопластику після механічних навантажень і використання спеціальних методів статистичної обробки результатів.

Виконані статистичні дослідження показали, що розподіл випадкових значень електричної міцності зразків СП не укладається в межі класичних розподілів - нормального і Вейбулла, у зв'язку із значним впливом на розподіл функціонального зв'язку між Eміцн. і розмірами газових включень (dmax). У зв'язку з цим щільність розподілу електричної міцності f(Eміцн.) шукали у виді розподілення функції випадкового аргументу - максимального діаметра газового включення dmax. Для визначення виду функції f(Eміцн.) проводився вимір випадкових значень dmax на великих вибірках зразків склопластику, визначався їх розкид dmax і статистичний закон розподілення dmax. Додатково на модельних зразках зі штучним одиничним капіляром і безпосередньо на зразках склопластику з'ясовувалася залежність електричної міцності СП від діаметра dmax. Встановлено, що залежність Eміцн.=f(dmax) є монотонно спадною функцією, а закон розподілу діаметрів пор за розмірами переважно нормальний і в рідких випадках - Вейбулла.

Якщо скловолокна в СП не мають поперечних тріщин, то емпіричне співвідношення Eміцн.=f(dmax) має вигляд (1):

, (1)

Якщо скловолокна мають поперечні розриви, то співвідношення Eміцн.=f(dmax) виражається як

, (2)

У проведених дослідженнях структура СП вивчалася мікроскопічним методом, а пористість - відомим методом Баруса-Бехгольда.

Знаючи вираз для щільності розподілу dmax і функцію Eміцн.=f(dmax) та використовуючи методи теорії ймовірності, отримали вираз для щільності розподілу електричної міцності склопластиків. За нормальним законом теоретична щільність розподілу випадкових значень Eпрi має вигляд (3):

 (3)

де dmax і - параметри розподілу dmax .

У випадку розподілу dmax за законом Вейбулла теоретична щільність розподілу f(Eпрі) має вигляд (4):

, (4)

де b - параметр форми розподілу dmax;

- параметр масштабу розподілу dmax.

Вигляд виразу для щільності розподілу f(Eпрi) залежить від технології виготовлення склопластику. Перевірка розподілу за критерієм Пірсона показала добру узгодженість знайдених теоретичних розподілень з фактичними.

Знайдені вирази (3) і (4) використовувались для виявлення початкових стадій небезпечного дефектоутворення при механічних впливах на СП. Оскільки склопластик пробивається по капілярах, то збільшення і поява додаткових дефектів при механічних впливах призведе до зміни форми кривої щільності розподілу f(Eпрi), особливо в її лівій частині, тобто в області малих значень Eміцн.. Вибравши в лівій частині кривої вихідного розподілу f(Eпрi) контрольної партії зразків, які не підлягають механічним впливам, фіксовану частість і визначивши її верхнє , знаходимо критичну частість , завищення якої при відповідній контрольній напруженості буде свідчити про початкові стадії дефектоутворень при навантаженнях.

Величина розраховується за даними вимірювань Еміцн. контрольної партії за допомогою виразів (3) і (4), з використанням раніше знайдених параметрів dmax, - для виразу (3) та , b - для виразу (4).

У третьому розділі викладено результати досліджень впливу різних видів механічних навантажень (стискання, кручення, розтягування, згину) на електричну міцність профільного склопластику.

Електричні випробування відбувалися після короткочасної витримки зразків, склопластика під навантаженням, що складає 10-90% від повної межі міцності. При цьому використовувався відомий із літератури факт незалежності Епр твердих діелектриків під навантаженням і після зняття навантаження.

На підставі статистичної обробки результатів дослідів графіки, що характеризують зв'язок електричної міцності склопластикових стрижнів з рівнем механічного навантаження на рис. 1 створено. Додатково в табл. 1 подані зведені результати визначення напруження початку структурних порушень у склопластику марки СПП-ЄВ, отримані за пропонованою методикою і на основі аналізу діаграм “навантаження-деформація”.

Як видно з табл. 1 і наведених графіків, зниження електричної міцності всіх або різних видів навантаження відбувається при різних значеннях механічного навантаження. Так, наприклад, при стиску і згині ці значення близькі один до одного і складають 50 і 52 % p, відповідно. При крученні та розтягуванні зниження Eпр відбувається при більш високих навантаженнях (відповідно 71 % і 80 % від руйнуючих значень).

Характерно, що при розтягуванні на початкових стадіях навантаження спостерігалось не падіння, а статистично значущий ріст Eпр, який досягав 11-12% від вихідного значення Eпр. Однак після впливу розтягуючих навантажень (більш 0,5 p ) спостерігалося досить швидке падіння Eпр. Ріст Eпр., очевидно, зумовлений поперечною деформацією склопластику при розтягу і зменшенням поперечного перетину найбільш крупних дефектів, витягнутих вздовж осі склопластику.

Значення механічного напруження, що відповідає початку структурних порушень, можуть бути використані як базові величини під час визначення додаткових робочих напружень. Так, наприклад, для випадку стискання за базову величину може бути прийняте значення, що дорівнює 50 % від p , для кручення - 80 % від mах.р., для розтягування - 71 % p і для згину - 52 % від u.p. електропередача ізолятор склопластик напруга

Отримані характеристики дозволяють при конструюванні ізоляторів приводити у відповідність електричні й механічні параметри склопластикових стрижнів з урахуванням можливих змін електромеханічних характеристик у процесі тривалої експлуатації.

Таблиця 1 - Результати визначених напруг початку структурних порушень СПП-ЄВ

Вид навантаження	Розміри зразків	Межа міцності при руйнуванні, МПа	Напруження початку структурних порушень у склопластику, МПа
			За зміною електричної міцності	За кривими “навантаження-деформація”
Стискання	d=22 мм h=10 мм	сm=436,755	218,35 (50%)	Не виявлено домоменту руйнування
Кручення	d=22 мм =160 мм	mах=41,62,7	33,48 (80%)	38,27
Розтягування	d=8 мм =120 мм	p=112238	795,5 (71%)	Не виявлено до моменту руйнування
Згин	d=22 мм =110 мм	u=56116	291,8 (52%)	369,6

У четвертому розділі проведено дослідження деформативних властивостей і повзучості склопластикових стрижнів при згині. Дослідження завершуються методикою визначення припустимих повздовжньо-поперечних навантажень, які діють на траверсу у процесі експлуатації.

Відомо, що односпрямований склопластик виявляє пружні властивості при розтягуванні і в'язко-пружні властивості при стисканні. Пружним елементом є скловолокно, в'язко-пружним - полімерна матриця і зона з'єднання “скловолокно-смола”. Під час аналізу роботи таких конструкцій матеріал, який має в'язко-пружні властивості, доводиться враховувати два фактори: з одного боку - можливість розвитку в експлуатації неприпустимо великих деформацій, а з іншого - можливість її тривалого руйнування. У розділі доведено, що це повною мірою стосується склопластикових елементів, які працюють тривалий час при згинаючих навантаженнях. Установлено, що форма кривих повзучості склопластику при згині має вигляд, характерний для більшості в'язко-пружних матеріалів. При постійно діючому згинаючому напруженні менш 300 МПа деформація в СП повністю загасає, при навантаженні більш як 400 МПа спостерігається стала повзучість і при навантаженнях, близьких до руйнуючих ( 0,85 p), крива повзучості в її завершальній стадії характеризується швидкою зміною деформації, після чого настає повне руйнування зразка. Швидкість деформації в області сталої повзучості досить мала і складає приблизно (0,8-1)10-4 мм/год на погонний метр траверси. Однак при великих нормативних строках служби ізоляції (25-30 років) вона може досягти недопустимо великих значень, і в розрахунках параметрів траверси незгасаючу повзучість склопластику потрібно виключати повністю.

У зв'язку з великою тривалістю експериментів для виявлення на кривій повзучості стадії прискореної деформації розглядалася методика ступінчатого навантаження зразка. Показано, що використовуючи ступінчате навантаження склопластику з короткочасною його витримкою навантаження на кожному ступені (t 0,25 год.) по загині графіка , де - деформація повзучості на кожному ступені, можна визначити згинаюче напруження, що відповідає переходу склопластику у фазу необоротного руйнування. У розділі показано, що напруга, яка відповідає фазі прискореної повзучості і визначається ступенчастим методом, дорівнює 0,8 u.p. Ця величина співпадає із значенням аналогічного параметра, отриманого при тривалих дослідженнях з безперервно доданими статистичними навантаженнями.

У роботі показано, що умовний модуль пружності згину Е, визначений за характеристиками деформації поперечного згину, близький до модуля пружності склопластика при розтягуванні і дорівнює 50-52,5 ГПа.

При зменшенні довжини стрижневих зразків і збільшенні їх діаметра модуль пружності суттєво знижується: при відношенні він складає 30 ГПа, при вже 13-16 ГПа. Причина зниження Е зумовлена ростом дотикових напружень у міру зниження відношення , що приводить до зміщення матеріалу СП вздовж скловолокон.

Виконані дослідження дозволили розробити методику розрахунку й вибору ізоляційних траверс для компактних ліній електромереж.

В експлуатації на горизонтальну траверсу діють одночасно вертикальні Р і горизонтальні Т згинаючі навантаження, де Р - вага дротів (з ожеледними нагромадженнями), Т - тяжіння дротів вздовж лінії. Крім цього, при боковому вітрі і розгойдуванні дротів на траверсу можуть діяти стискаючі навантаження N.

Із врахуванням того, що повний прогин траверси у, викликаний дією повздовжніх і поперечних сил визначається виразом

(5)

де у0 - прогин від поперечного навантаження Р;

- критична сила (за Ейлером); (6)

- довжина траверси;

I - момент інерції перерізу траверси,

були отримані вирази, що встановлюють співвідношення між поперечною силою Р і повздовжньою N навантаженнями, які забезпечують збереження постійного нормального напруження в найбільш небезпечному перерізі склопластику, що дорівнює []доп і приведеного до стиснутої частини перетину.

Для стискаючої повздовжньої сили N це співвідношення при Т=0 матиме вигляд (6):

(7)

де W - момент опору;

F - переріз стрижня;

; (8)

=[ доп..

Для розтягуючої повздовжньої сили (7):

, (9)

Врахування сили T виконується за допомогою відомого співвідношення

, (10)

де S - сумарна величина згинаючої сили.

Задаючись деформативними і міцнісними характеристиками склопластику, а також діаметром d і довжиною несучого елемента траверси за формулами (6) і (7) обчислюють оптимально припустимі поперечні і повздовжні навантаження на полімерні траверси.

На рис. 2 наведено сімейство кривих, необхідних для визначення допустимих навантажень для горизонтальної траверси, зібраної на склопластикових стрижнях діаметром 36 і 46 мм. У додатку до дисертації наведені обчислювальні діаграми для траверс довжиною 0,5-3 м, виконаних на СП стрижнях діаметром 36-89 мм.

П'ятий розділ присвячено оптимізації геометричних параметрів захисної оболонки полімерних конструкцій. Оптимізація оболонки передбачає досягнення мінімальних витрат при одночасному забезпеченні максимально можливих вологорозрядних напруг ізоляторів.

Обробка результатів багаторічних післяексплуатаційних випробувань полімерних ізоляторів дозволила встановити, що використання параметрів вольтамперних характеристик часткових дуг і n=0,24 у відомому виразі дає можливість з високою точністю обчислювати вологорозрядні характеристики забруднених і зволожених полімерних ізоляторів:

, (11)

де L - довжина шляху витоку ізолятора, см;

- питома поверхнева провідність, мкСм;

- еквівалентний діаметр, см.

З використанням рівняння (8) та систему запропонованих розрахункових співвідношень для геометричної моделі ребра полімерного ізолятора (рис. 3), була розроблена програма чисельних розрахунків оболонок полімерних конструкцій. Програма дозволяє на стадії конструювання здійснювати вибір оптимальної конструкції ребер захисної оболонки за критерієм мінімуму сумарних витрат на матеріали та виготовлення ізолятора з урахуванням забезпечення високих вологорозрядних напруг. Програма також забезпечує отримання електронних таблиць характеристик ізолятора, можливість виводу на екран дисплея ескізів оболонок та багатомірні графіки, об'єднуючі розрахункові параметри: U50%; L/H; ;.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове розв'язання наукової задачі, що полягає у визначенні електромеханічної міцності та оптимізації конструктивних елементів полімерних ізоляторів для компактних підстанцій та ліній електропередач високої напруги. Отримані результати можуть використовуватись як основа для створення ізоляторів із склопластиковим стрижнем суцільного перерізу високої електромеханічної міцності.

1. Доведено доцільність використання суцільних СП стрижнів замість порожнистих труб під час застосування в конструкціях опорно-стрижневих ізоляторів і траверс.

2. Запропоновано методики дослідження електромеханічної міцності СП при впливі усіх видів механічного навантаження для визначення допустимих напружень на ізолятори.

3. Встановлено, що механічні впливи на профільний склопластик призводять до зниження його електричної міцності при навантаженнях, значно менших, ніж руйнівні. Це зумовлено структурними порушеннями цільності матеріалу: обривами скловолокон, розшаруванням кордону розділу “скловолокно-смола”, тріщинами в матриці і т.д.

4. Виявлено, що вимір електричної міцності профільного склопластику після попереднього механічного навантаження є більш чутливим методом визначення початкових стадій структурних порушень у матеріалі в порівнянні з відомими механічними методами.

5. Проведено статистичні дослідження електричної міцності профільного склопластику і знайдено закон розподілення випадкових значень Еміцн., що забезпечує найкращий збіг з експериментальними даними.

6. З використанням теоретичного розподілення Еміцн. запропоновано метод з'ясовування механічних напружень, які відповідають початковим стадіям структурних порушень у СП при різних видах механічних навантажень.

7. Доведено, що напруження початку структурних порушень у профільному склопластику типу СПП-ЄВ, визначені згідно зміни його електричної міцності, складають: при стисканні - 0,5 ; при крученні - 0,8 .; при розтягуванні - 0,71; при згині - 0,52 .

Наведені значення можуть використовуватися як базові величини під час визначення припустимих робочих напруг.

8. Проведено дослідження деформативних характеристик і повзучості профільного склопластику при згині. Визначено напруження, відповідні згасанню деформації, стійкої повзучості і повному руйнуванню склопластику при довготривалому впливі поперечного навантаження.

9. Одержано розрахункові вирази і методику визначення припустимих експлуатаційних навантажень на полімерні траверси з використанням даних по деформативних характеристиках і електромеханічній міцності склопластику.

10. Розроблено методику обчислення оптимальної форми ребристих елементів захисної оболонки на основі запропонованої геометричної моделі ребра ізолятора, а також за критерієм мінімуму сумарних затрат та забезпечення максимально можливих вологорозрядних характеристик.

11. Одержані результати використовуються при розробці нових і модернізації існуючих типів полімерних конструкцій: опорно-стрижневих ізоляторів, полімерних траверс, консольних і фіксаторних елементів ізолюючої частини контактних мереж електрифікованого залізничного транспорту.

12. Результати роботи запровадження у навчальний процес під виконанням дисертації на кафедрі інженерних дисциплін Слов'янського педінституту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Зима Ю.А., Рацлав В.В., Шумілов Ю.М. Методика неруйнуючого контролю якості склопластикових стрижнів для полімерних ізоляторів // Енергетика і електрифікація. - К.: 1997. - №4. - С.25-26.

2. Рацлав В.В., Тіхонов А.П., Шупік М.С., Шумілов Ю.М. Методика визначення “границі повзучості” стрижневого склопластику, використаного в конструкціях ізоляційних траверс // Вісник Харківського державного політехнічного університету. - Х.: ХДПУ. - 1998. - № 4. - С.90-95.

3. Шумілов Ю.М., Нечволод М.К., Рацлав В.В. Вплив попереднього меха-нічного навантаження на електричну міцність високовольтного склопластика // Технічна електродинаміка. - К.: 1999. - №4. - С.16-20.

4. Шумілов Ю.М., Щерба А.А., Подольцев А.Д., Кучерявая І.М., Рацлав В.В. Аналіз електричного поля в склопластиковому діелектрику при наявності газового включення // Технічна електродинаміка. - К.: 1999. - №6. - С.9-13.

5. Рацлав В.В. Розрахунок допустимих експлуатаційних навантажень на горизонтальні полімерні траверси компактних ліній електропередач// Вісник Національного технічного університету. “ХПІ”. - Х.: 2001. - № 17. - С.121-122.

6. Шумілов Ю.М., Таран В.Н., Рацлав В.В. Методи неруйнуючого контролю деталей високовольтних ізоляторів в умовах виробництва // Матеріали 8-го міжнародного семінару-виставки, 26-28 вересня 2000 р, м. Ялта: Київ, 2000. - С.82

АНОТАЦІЇ

Рацлав В.В. Електромеханічна міцність полімерних ізоляторів високої напруги. Оптимізація конструкції та силових елементів. ?- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.13 - техніка сильних електричних та магнітних полів. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2001.

Дисертацію присвячено вивченню електромеханічної міцності та вибору оптимальних параметрів діелектричних елементів нових полімерних конструкцій для електроприладів підстанцій та компактних ліній електропередач.

Проведено статистичні дослідження пористості й електричної міцності профільних склопластиків та розроблено методику виявлення початкових стадій дефектоутворень у склопластикових стрижнях при їх механічному навантаженні: стисканні, крученні, розтягуванні та згині; а також про міцнісні властивості і повзучість СП при тривалому впливі згинаючих навантажень.

Запропоновано розрахункові вирази і розроблено методику визначення припустимих експлуатаційних навантажень на полімерні траверси різних довжин.

Використовуючи систему запропонованих обчислювальних співвідношень для обраної геометричної моделі ребра ізолятора, автор розробив методику чисельного обчислювання оптимальної конфігурації оболонки полімерних конструкцій.

Ключові слова: лінії електропередачі, ізоляція електрообладнання, полімерні конструкції, профільний склопластик, електрична міцність, дефектоутворення, геометричні параметри, оптимізаційні розрахунки.

Рацлав В.В. Электромеханическая прочность полимерных изоляторов высокого напряжения. Оптимизация конструкции и силовых элементов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.13. - Техника сильных электрических и магнитных полей. Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена изучению электромеханической прочности полимерных изоляторов, предлагаемых к применению на компактных подстанциях и воздушных линиях электропередач. На основе обобщения результатов исследований разработаны рекомендации по конструированию изолирующей части полимерных опорно-стержневых изоляторов и консольных траверс. Показана целесообразность применения сплошных СП стержней взамен полых стеклопластиковых труб при конструировании групп опорно-стержневых и подвесных изоляторов.

Статистическая обработка результатов измерения пористости и электрической прочности СП проводилась с применением теории распределения функции случайного аргумента. Продольно-поперечный изгиб конструкций изучался с применением теории Эйлера. Расчет параметров, защитной оболочки - с помощью специально разработанной программы, а выбор оптимальных параметров - на основе полученных многомерных графиков.

Получены новые данные об электрической прочности и начальных стадиях дефектообразования в СП после различного вида механических нагружений: сжатия, кручения, растяжения и изгиба; а также о прочностных свойствах и ползучести СП при длительном воздействии изгибающих нагрузок.

Установлено, что при механических воздействиях на профильный стеклопластик происходит снижение его электрической прочности при нагрузках, значительно меньших, чем разрушительные. Это обусловлено структурными нарушениями цельности материала: обрыва стеклонитей, расслоением границы раздела “стекловолокно-смола”, трещинами в связывающем и т.д.

Проведены статистические исследования электрической прочности профильного стеклопластика и найден закон распределения случайных значений Епр, обеспечивающий наилучшее согласование с экспериментальными данными.

С использованием теоретического распределения Епрi предложен метод определения механических напряжений, соответствующих начальным стадиям структурных нарушений в СП при различных видах механических нагружений.

Выявлено, что измерение электрической прочности профильного стеклопластика после предварительного механического нагружения является более чувствительным методом обнаружения начальных стадий структурных нарушений в материале по сравнению с известными механическими методами.

В связи с большой длительностью экспериментов для обнаружения на кривой ползучести стадии ускоренного деформирования рассматривалась методика ступенчатого нагружения образца. Показано, что используя ступенчатое нагружение стеклопластика с кратковременной выдержкой нагрузки на каждой ступени по излому графика приращения деформации - время, на каждой ступени можно определить изгибающее напряжение, соответствующее переходу стеклопластика в фазу необратимого разрушения. В разделе показано, что напряжение, соответствующее фазе ускоренной ползучести, определенное ступенчатым методом, равно 0,8 u.p.. Эта величина совпадает со значением аналогичного параметра, полученного при длительных испытаниях с непрерывно приложенными статистическими нагрузками.

В работе показано, что условный модуль упругости изгиба Е, определенный по характеристикам деформации поперечного изгиба, близок к модулю упругости стеклопластика при растяжении.

При уменьшении длины стержневых образцов и увеличении их диаметра модуль упругости существенно снижается. Причина снижения модуля упругости обусловлена ростом касательных напряжений по мере отношения длины образца к диаметру, приводящих к сдвигу материала СП вдоль стекловолокон.

На базе полученных результатов предложены расчетные выражения и разработана методика определения допустимых эксплуатационных нагрузок на полимерные траверсы различных длин.

Обработка результатов многолетних послеэксплуатационных испытаний подвесных полимерных изоляторов позволила выбрать расчетное выражение и параметры вольт-амперных характеристик частичных дуг для расчета влагоразрядных напряжений силиконовых конструкций. Используя найденное выражение и систему предложенных расчетных соотношений для выбранной геометрической модели ребра изолятора, автор разработал методику численного расчета оптимальной конфигурации оболочки полимерных конструкций. Оптимизация оболочки обеспечивает достижение минимальных затрат при одновременном обеспечении возможных максимальных влагоразрядных напряжений.

Разработанные методики и исходные данные для расчетов, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, предназначены для расчета и конструирования новых полимерных конструкций: опорно-стержневых изоляторов, полимерных траверс, консольных и фиксаторных изоляторов, междуфазовых распорок.

Ключевые слова: линии электропередачи, изоляция электрооборудования, полимерные материалы и конструкции, профильный стеклопластик, электрическая прочность, дефектообразование, геометрические параметры, оптимизационные расчеты.

Ratslav V. Electro-mechanical strength of polymer insulators for compact sustations and lines of high voltage electrotransmissions. Optimization of construction and power elements. - Manuscript.

The thesis is for technical sciences canclidate's degree, speciality 05.09.13. - technics of strong electrical and magnetic fields.- National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, 2001.

The thesis is devoted to study of electromechanical strength and of optimum parameters of dielectrical elements of new polymeric designs for an electrical equipment of substations and compact transmission lines.

The new data on dielectrical strength and initial stages of defect formation in fiberglass rods after various kinds of mechanical loading are received. Deformability and creep of fiberglass rods under long influence of bending loadings were studied.

The technique of definition of allowable operational loadings on insulation crossarms and technique of optimization of a sheds shape of polymeric protective cover ensuring achievement of the minimal expenses for manufacturing of the cover with preservation maximum high flashover voltage in polluted conditions were developed.

Key words: electrical equipment isolation, compact transmission lines, polymeric designs, fiberglass rod, dielectric strength, defects formstion, geometrical parameters, optimisation.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ

СП - склопластик

Е - модуль пружності

ЕМ - електрична міцність

ПЛ - повітряні лінії

Рі* - фіксована частість

Ре - критична сила (за Ейлером)

- питома поверхнева провідність

W - момент опору

- деформація

y0 - прогин від навантаження

Размещено на Allbest.ru

...